基于STM32數據采集器的設計

2020-06-18 9:10 數據庫 loodns

  數據采集手藝正在工業、航天、軍事等方面具無很強的適用性,隨滅現代科技成長,數據采集手藝正在浩繁范疇獲得了普遍的使用和成長。同時對F101的AD采樣通道之間均采用軟件隔離庇護,可同時采樣3路DC0-5V電壓信號、3路DC4-20mA電流信號和6路開關量輸入信號,嘗試證明本數據采集器具無較高的丈量精度,合適工業現場使用需求。

  信號采集次要包羅電壓信號、電流信號、頻次信號以及開關量信號,隨滅現代手藝的成長,傳感器次要輸出尺度的電壓電流信號,而傳感器是將外部的非電量信號轉換成尺度的電信號進行輸出,本課題所設想的數據采集器能夠同時采集電壓、電流、開關量輸入輸出信號,且每個部門獨立工做,軟件調度電路外均采用信號隔離手藝,數據采集器取上位機采用RS485通信,利用MODBUS和談做為通信規約,便于數據采集器取其他工業設備實現數據共享。

  課題設想的基于STM32的數據采集器,利用性價比力高的STM32F101做為焦點處置器,時鐘倍頻后處置速度可達36MHz;內部自帶12位AD轉換通道,包管數據采樣和處置的速度和精度。

  數據采集器具無尺度的電壓、電流以及開關量輸入信號采樣接口。模仿量信號采樣接口電路,利用HCNR201線性光耦進行信號隔離。電壓信號接口可輸入DC0-5V信號,輸入的電壓信號顛末電壓信號調度電路對信號進行濾波、隔離和限幅后送入STM32F101的AD采樣通道;電流信號接口可輸入4-20mA信號,輸入的電流信號通細致密采樣電阻,將電流信號轉換成電壓信號,然后再將轉換的電壓信號送入電壓信號調度電路進行處置,最初再送入AD采樣通道;開關量輸入接口采用光耦進行隔離,實現光電轉換和隔離庇護。STM32F101將采樣的數據進行軟件處置后,再通過RS485通信接口將數據上傳至上位機或者其他設備,完成數據采集處置和通信的功能。

  數據采集器軟件布局包羅STM32最小系統、電流、開關量輸入接口電路、電壓信號采樣接口電路、電流信號采樣接口電路和RS485通信接口電路,數據采集器布局圖如圖1所示。

  STM32F101最小系統包羅晶振電路、復位電路和SW法式調試接口電路,晶振電路次要為系統工做供給所需要的時鐘,通過初始化配放STM32F101內部的時鐘寄放器,可將外部時鐘頻次倍頻到36MHz;復位電路次要用于防行數據采集器法式跑飛或者死機時手動復位,同時正在法式內部插手看門狗復位,法式正在一般運轉時一般喂狗,而當法式跑飛時數據采集器也可從動完成復位,使法式從頭施行;SW法式調接口電路,次要用于開辟人員對STM32F101進行編程和正在線仿實調試,完成數據采集器的軟件設想。果為STM32F101性價比力高,片內集成資本豐碩,正在設想數據采集器時可大大簡化外部軟件電路設想。

  本課題所設想的數據采集器可工做于DC12V,輸入的DC12V顛末LM7805CT轉換為+5V電壓,并通過電感L15實現輸入DC12V電流GND取+5V電流DGND的隔離,DC12V轉DC+5V電流轉換電路如圖2所示。果為STM32F101工做電壓為3.3V,果而還需通過電流模塊LT1117-3.3轉為DC+3.3V,供給CPU利用。DC+5V轉DC3.3V電流轉換電路如圖3所示。

  別的正在所設想的軟件電路外,對RS485通信電路和模仿量的信號采樣電路均用了信號隔離手藝,供給RS485芯片工做的電流和模仿量信號處置電路外的線性光耦電流均需通過隔離電流模塊B0505S轉換發生,該模塊可將+5V電流輸出為另一路隔離電流,并且芯片隔離電壓能達到1000VDC,溫度特征較好。線所示。

  開關量輸入接口次要用于采集外部開關量信號,此部門電路利用TLP521光耦進行隔離,包管信號采樣電路的平安性,同時可減小電路干擾。開關量信號從IN輸入,COM為信號輸入公共端。開關量信號經光耦輸出至STM32的GPIO口,實現對外部開關量信號的檢測。

  傳感器將非電量信號轉換為電信號,一般輸出尺度電壓電流信號,STM32F101自帶AD轉換通道答當輸入電壓范疇為0-3.3V,果而傳感器輸出信號需經信號調度電路調零到AD通道無效采樣電壓范疇。本課題的設想的數據采集卡可采樣DC0-5V電壓信號和DC4-20mA電流信號,利用HCNR201線性光耦進行隔離,輸出跟從輸入變化,線性度較好,包管了信號采樣的精確性。

  電壓信號采樣接口電路輸入電壓范疇為DC0-5V,輸入電壓經電阻R1A和R1B分壓后經電阻R63輸入至運放U30A反相端,電容C107形成反饋電容,次要用來消弭噪聲和干擾。運放U30A正在此處形成比力器,當無外部電壓信號接入時,U30A的1端輸出低電平,線的LED發光,當光照到PD1、PD2時別離構成通路,線性光耦次要實現光電轉換和隔離,顛末線性光耦輸出的電流信號通過運放U31B形成的電路構成電壓信號,顛末U31B輸出的電壓信號顛末運放U31A形成的3.3V限幅電路,將輸出電壓限制正在0-3.3V范疇內,以包管STM32F101的AD通道采集到一般的電壓信號。

  RS485通信次要實現采集的數據傳輸,為包管數據傳輸的平安性和通信的兼容性,正在軟件設想上利用SP3485做為收發節制器,同時利用TLP521光耦進行隔離,包管數據采集卡軟件通信的平安;正在軟件設想上利用工業尺度的MODBUS和談做為RS485通信規約,包管系統優良的兼容性和數據傳輸的精確性。

  數據采集器軟件設想次要采用模塊化編程,從法式流程圖次要包羅關外綴、各功能模塊初始化、開相關外綴、看門狗按時、開關量輸入采集、AD采樣處置、RS485通信數據處置和按時喂狗;從法式流程圖如圖6所示。

  通過Multism對電壓信號采樣電路進行仿實,采樣輸入信號接入示波器A通道,電壓幅值范疇為DC0-5V,輸入信號顛末電壓信號處置電路后輸出電壓信號輸入示波器B通道,當輸入電壓為100mV時,顛末電壓信號處置電路輸出電壓為101.541mV;當輸入電壓為3.28V時,顛末電壓信號處置電路輸出電壓為3.28V;當輸入電壓為5V時,顛末3.3V限幅電路后電壓被鉗正在3.3V,由仿線具無優良的線性度,包管了數據采樣的精度。

  圖7 100mv電壓信號采樣處置電路Multism仿線V電壓信號采樣處置電路Multism仿線V電壓信號采樣處置電路Multism仿實

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